Длина, диаметр, диффузор и глубина погружения шахты. На что влияет? Научный ответ

Длина и диаметр шахты, диффузор и глубина погружения шахты. На что они влияют? Научный ответ.

В этой статье кратко объясним, как параметры шахты кальяна, наличие диффузора и глубина погружения шахты влияют на наши ощущения от курения.

На сегодняшний день в научной литературе мало работ посвящено этим вопросам, так как исследователей в первую очередь интересует химический состав кальянного дыма и его воздействие на организм человека. В последние годы FDA заинтересовала тема влияния конструкции кальяна и дополнительных аксессуаров (диффузор, электронные системы нагрева чаши) на физические и токсические свойства его аэрозоля. На базе полученных из исследований данных агентство планирует ввести технические регламенты не только на кальянные смеси, но и на аппараты, аксессуары. Цель новых регламентов максимально снизить риски для здоровья населения. 

P.S. в этой статьей будет идти речь о физической стороне вопроса. Химические аспекты рассмотрим в отдельной статье.

Влияние длины шахты на физику курения кальяна

По мере прохождения кальянного дыма по длине шахты с частицами происходят следующие процессы:

1. 1.Коагуляция;
2. 2.Конденсация/испарение;
3. 3.Осаждение на внутренней поверхности шахты;
4. 4.Движение в направлении создаваемого потока.

Коагуляция приводит к уменьшению числа частиц и увеличению их размеров. Соответственно с увеличением длины шахты будет наблюдаться уменьшение числа частиц и увеличение их среднего диаметра, так как кальянный дым дольше пребывает в шахте. 

Процессы конденсации и испарения так же будут влиять на размеры частиц. В прошлой статье было отмечено, что кальянный дым образуется конденсационным способом. Частицы зарождаются в чаше и поступают в шахту при затяжке. Их размер не достигает и 0,3 мкм. При этом имеется температурный градиент (разница температур) вдоль всей длины пути от чаши к концу шахты. Наличие градиента создает пересыщение в системе, которое способствует росту частиц за счет конденсации.  Благодаря этому средний диаметр частиц будет увеличиваться с увеличением длины шахты. По мере прохождения дыма через шахту за счет диффузии частицы могут осаждаться на ее поверхности. Чем длиннее шахта, тем больше ее общая площадь поверхности, а, следовательно, растет вероятность такого события. Поэтому увеличение длины шахты будет приводит к уменьшению числа частиц за счет их осаждения.

Так же пары аэрозоля могут конденсироваться на холодных участках шахты, выделяя тепло. За счет этого летучие вещества кальянного дыма остаются на шахте. Ключевыми из них являются компоненты ароматизаторов. Поэтому с увеличением длины шахты концентрация летучих соединений будет уменьшаться.

Длина шахты так же влияет и на гидродинамическое сопротивление (про тягу речь), которое ощущаем при затяжке. Чем длиннее шахта, тем больше усилий придется прилагать при курении. Тем, кому интересна математическая зависимость между этими характеристиками, прошу ознакомится с ней в [1]. 

По запросу FDA в 2019 г. Хаузер с коллегами изучил влияние длины шахты на физические и токсические показатели кальянного дыма [2].

Ученые выбрали три кальяна:

1) маленький с длиной шахты 22 см;

2) средний с длиной шахты 36 см и

3) высокий (длина шахты — 55 см).

Во всех экспериментах использовался кальянный табак Starbuzz Exotic Apple Americano.  В чашу забивали 10 г и использовали фольгу. В качестве угля выбрали саморазжигающийся уголь Starbuzz Coconut Shell Instant Light диаметром 35 мм. Параметры прокуривания были аналогичны Бейрутскому методу [3], а способ измерения физических свойств кальянного аэрозоля идентичен работе [4], которые описаны в статье «Физика аэрозолей» на этом канале. Оценку токсических свойств кальянного дыма проводили путем пропускания аэрозоля через альвеолярные клетки мыши. Эти клетки находятся в начале дыхательной зоны легких и отвечают за газообмен с легочными капиллярами. Выживаемость клеток оценивали по лизосомальной и мембранной целостности. 

Хаузер установил, что уменьшение длины шахты от 55 см до 22 см приводит к значительному росту числа частиц аэрозоля (длинная: 1.7×10¹³; средняя: 6.0×10¹³; короткая: 1.3×10¹⁴) и уменьшению среднего модального диаметра (длинная: 170 нм; средняя и короткая: 125 нм) (рис. 1A). Массовая концентрация увеличилась с 2800 до 10 000 мг/м³ (рис. 1B) и величина LDSA (площадь поверхности легкого, осажденного частицами) возросла с 7.7×10⁶ до 3.6×10⁷ мкм²/см³ (рис. 1C) при уменьшении длины шахты. Стоит отметить, что виды полученных кривых абсолютно идентичны для всех длин шахт, что указывает на схожесть протекающих процессов с частицами аэрозолей. Эти экспериментальные данные согласуются с приведенными выше рассуждениями. Интересно, что увеличение длины шахты в 2,5 раза приводит к уменьшению числа частиц в 10 раз, а увеличение длины шахты в 1,6 раза сокращает число частиц лишь в 2 раза, при этом средний модальный размер сохраняется. Поэтому средние кальяны наиболее сбалансированы по свойствам генерируемого дыма.

Расчетные величины LDSA прогнозируют, что частицы кальянного дыма шахт любой длины будут проходить мимо верхних дыхательных путей и накапливаться в альвеолах легких. Так же значения LDSA больше на три порядка, чем те, которые были измерены для сигареты [5]. Согласно модели 30% частиц, генерируемых короткой шахтой, будут накапливаться в альвеолах по сравнению с 22%, генерируемыми длинной шахтой.

Кальянный дым шахт всех длин значительно снизил оба показателя выживаемости клеток (рис. 2). Воздействие дыма из короткой и средней шахт снизило лизосомальную функцию до 40% и 35% от некурящего контроля. Аэрозоль всех шахт снизил мембранную целостность до менее чем 40% от некурящего контроля. Таким образом, дым всех шахт соответствует определению цитотоксичных веществ ISO/National Institutes of Health (NIH), что снижает показатели жизнеспособности клеток ниже 70% от показателей некурящего контроля. Получается, что аэрозоли шахт разной длины не существенно различаются по токсическим свойствам и выбор в пользу средней длины шахты остается оправданным.

Влияние диаметра шахты на физику курения кальяна

Экспериментальных данных по влиянию диаметра шахты на физику курения кальяна на сегодняшний день нет. Иранские ученые в 2016 г. провели теоретическое исследование этого вопроса [1]. Они построили модель, где в качестве вводных параметров использовались данные, представленные в таблице 1.

Параметр	Значение	Единица измерения
Объем затяжки	530	мл
Время затяжки	2.6	с
Количество затяжек	171	—
Скорость затяжки	204	мл/c
Время курения	57	мин
Температура воды в колбе	20	0С
Объем воды в колбе	750	мл
Диаметр шахты	5	мм
Глубина погружения шахты	5	см

В основе параметров курения лежал Бейрутский метод. Модель позволяет рассчитывать гидродинамику пузырьков (частоту образования пузырьков, их скорость всплытия и диаметр), гидродинамическое сопротивление разных частей кальяна (шахта, шланг, колба и чаша), показатели массообмена, протекающих с пузырьками, и оценивать количество осаждённого аэрозоля в воде. В качестве переменных, которые можно в ней менять, выбрали диаметр шахты, температуру и объем воды в колбе, глубину погружения шахты и объем затяжки.

Сначала сфокусируемся на диаметре шахте. В представленном исследовании все параметры оставались постоянными, а диаметр шахты меняли от 1 мм до 10 мм. Оказалось, что диаметр шахты влияет на гидродинамику пузырьков и характер потока аэрозоля (влиял на число Рейнольдса). На рис. 3 показаны эти зависимости. 

При увеличении диаметра шахты от 1 до 10 мм диаметр пузырьков увеличивался от 33.0 до 39.3 мм, что составляет прирост в размере 18.8 %. Скорость всплытия пузырька возросла при этом с 40.8 до 44.3 см/c (+8.6%). Уточню, что чем больше диаметр пузырька, тем выше его скорость всплытия. Количество пузырьков, образующихся за 1 затяжку, снизилось (-11 пузырьков).  Это связано с тем, что эта характеристика уменьшается с увеличением объема пузырька.

Гидродинамика пузырьков определяет процессы массопереноса. Внутри пузырька содержатся как частицы аэрозоля, так и компоненты газовой среды, которые представляют из себя смесь паров летучих компонентов и воздуха. За счет взаимодействия пузырька с водой, могут происходить следующие процессы:

1. 1.Оседание частиц аэрозоля в воде;
2. 2.Абсорбция (поглощение) паров летучих компонентов водой;
3. 3.Конденсация паров воды на частицах аэрозоля.

В данной работе оценивали количество частиц аэрозоля, оставшихся в воде, величиной (N_a/N₀)%, которая показывает процент таких частиц от их общего количества. Абсорбцию газов оценивали величиной N_r, которая показывает отношение массы поглощенных водой паров при конкретном расчетном параметре относительно массы поглощенных водой паров при стандартном условии моделирования. То есть если изучается влияние диаметра шахты в пределах от 1 до 10 мм, то цифра, полученная при подстановке 1 мм, делится на цифру, рассчитанную при 5 мм (см. таблицу 1). 

Из рис. 4 видно, что увеличение диаметра шахта от 1 до 10 мм приводит к уменьшению N_r на 16.4 %. Это значит, что меньше газов поглощаются водой. Процент осажденных частиц аэрозоля при этих условиях уменьшается на 22.9 %.

Гидродинамическое сопротивление увеличивается при уменьшении диаметра шахты. Формулу этой зависимости можно найти в [1].

Влияние глубины погружения шахты на физику курения кальяна

В [1] оценивали влияние глубины погружения шахты на гидродинамику пузырьков и процессы массопереноса. Параметр изменяли в пределах от 3 до 10 см.

Увеличение глубины погружения шахты от 3 до 10 см приводит к росту диаметра пузырьков с 37.3 до 47.6 мм (+27.6%, см. рис. 5). Это связано с тем, что с увеличением глубины погружения шахты растет давление внутри пузырька, что приводит к росту числа Рейнольдса. Диаметр пузырька прямо пропорционален этому числу. Скорость пузырьков увеличивается с 43.2 до 48.6 см/c (+12.5%). Количество пузырьков за 1 затяжку уменьшается при этом на 10.

N_r при этих условиях увеличивается на 49.3% (см. рис. 6). Это вызвано увеличенным временем всплытия пузырьков и как следствием более интенсивным массопереносом. Осаждение частиц аэрозоля увеличилось на 129.6 %. Таким образом теоретически обоснуется, что глубина погружения шахты может оказывать значительный эффект на ощущения от курения (вкус, аромат и крепость). В статье про роль воды в кальяне сможем показать, насколько эти цифры ощутимы или нет на практике.

Гидродинамическое сопротивление возрастает при увеличении глубины погружения шахты. В большинстве случаях то сопротивление при затяжке, что мы ощущаем, вызвано гидростатическим давлением воды в колбе. Иранские ученые продемонстрировали интересный факт, что это работает до определенного объема затяжки (см. рис. 7). Когда объем затяжки превышает 800 мл, больший вклад в итоговое сопротивление дает шланг.

Влияние диффузора на физику курения кальяна

Американские ученые в 2018 г. провели исследование [6], целью которого было узнать, как наличие диффузора влияет на параметры курения реальных людей. В эксперименте участвовало 34 человека. Во всех сеансах курения забивали 10 г табака Nakhla Double Apple (устраивал всех участников), использовали один и тот же уголь, курили на одинаковых кальянах. Ученые измерили концентрацию никотина в плазме крови, пульс и концентрации CO и бензола в выдохе после завершения сеанса курения. До и после сессии курения взвешивали массу табака и угля, чтобы оценить их потребление. Полученные данные представлены в таблице 2.

При статистической обработке выявилось, что средний показатель скорости затяжки в действительности выше при курении с диффузором. Остальные параметры не отличаются в рамках погрешностей измерений. Ученые так же оценили психологическое состояние участников. Оказалось, что наличие диффузора вызывает меньшее желание еще покурить кальян. При этом участники чувствовали себя бодрее, спокойней и менее голодными. Суммарная оценка психологического состояния показала, что наличие диффузора делает процесс курения кальяна более приятным и привлекательным. Эти факты показывают, что диффузор больше влияет на наши ощущения от курения психологически. 

Таблица 2

*ppmv = миллионная доля на единицу объема	Без диффузора	С  диффузором
Топография затяжек
Количество затяжек	70.9±37.8	73.4±37.2
Объем затяжки, л	0.65±0.27	0.73±0.37
Время затяжки, с	4.4±2.1	4.3±2.3
Интервал между затяжками, с	26.2±14.4	28.2±17.3
Средняя скорость затяжки, л/мин	10.1±3.8	11.5±4.6
Общий объем затяжки, л	41.7±25.8	48.7±35.8
Время курения (мин)	31.6±14.5	32.5±12.1
Меры воздействия
Выброс СО в атмосферу, мг/сессия	980.5±368.5	1012±274.8
Прирост выдыхаемого СО, ppmv*	51.7±19.9	56.5±36.1
Прирост выдыхаемого бензола, ppmv	8.5±5.4	8.4±4.9
Концентрация никотина в плазме крови, нг/мл	12.2±12.7	13.7±13.6
Учащение пульса, удар/мин	13.9±10.6	15.8±11.5
Потребление табака и угля
Потребление табака за сессию, %	21.0±7.1	22.2±8.0
Потребление угля за сессию, %	55.5±11.0	57.0±10.5

Заключение

Из анализа литературных данных можно сделать следующие выводы:

1. 1.Длина шахты действительно влияет на физические и токсические характеристики кальянного дыма. Средние кальяны – лучший выбор с точки зрения получаемых свойств.
3. 2.Диаметр шахты не только влияет на тягу, но и на гидродинамику пузырьков. Увеличение диаметра приводит к тому, что абсорбция летучих компонентов и процент осажденных частиц аэрозоля уменьшается. Благодаря этому мы ощущаем вкус ярче, аромат насыщеннее, а крепость выше.
5. 3.Тяга зависит от суммы гидродинамических сопротивлений всех элементов кальяна. Наибольший вклад вносят гидростатическое давление воды в колбе и сопротивление шланга. При умеренных затяжках мы ощущаем преимущественно сопротивление воды, при глубоких затяжках – сопротивление шланга. 
7. 4.Увеличение глубины погружения шахты значительно усиливает абсорбцию летучих компонентов и увеличивает процент осажденных частиц кальянного дыма. Таким образом, мы должны чувствовать снижение крепости, вкуса и аромата.
9. 5.Роль диффузора и его влияние на курение кальяна переоценено. Он улучшает лишь наше психологическое состояние.

Литературные источники

[1] — Oladhosseini, S., Karimi G., Mathematical modeling of transport phenomena during waterpipe smoking — a parametric study. International Journal of Multiphase Flow, 2016.

[2] — Hauser CD., Mailig R., Stadtler H., Waterpipe tobacco smoke toxicity: the impact of waterpipe size. Tobacco Control, 2019.

[3] — Shihadeh A., Azar S., Antonios C., Towards a topographical model of narghile water-pipe café smoking: a pilot study in a high socioeconomic status neighborhood of Beirut, Lebanon. Pharmacology Biochemistry and Behavior, 2004.

[4] — Bernd K., Hauser CD., DeGrood D., Contributions of charcoal, tobacco, and syrup to the toxicity and particle distribution of waterpipe tobacco smoke. Toxicology Letters, 2019.

[5] — Geiss O., Bianchi I., Barrero-Moreno J., Lung-deposited surface area concentration measurements in selected occupational and non-occupational environments. Journal of Aerosol Science, 2016.

[6] — Brinkman M. C., Kim H., Buehler S. S., Adetona A. M., Gordon, S.M., Clark P. I.,  Evidence of compensation among waterpipe smokers using harm reduction components. Tobacco Control, 2018.